导管架式海上风电机组动态特性的数值建模与实验研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Numerical modeling and experimental study on the dynamic characteristics of jacket-type offshore wind turbines

　　

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  开发了自支撑式海上风力发电机的数值模型。
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  进行了缩尺实验以验证数值模型的可靠性。
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  考察了风荷载和波浪荷载对结构响应的影响。
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  揭示了环境阻尼对结构响应的抑制作用。

引言

在全球能源转型的推动下，海上风电已成为可再生能源体系的核心支柱。近年来，海上风力发电机的尺寸不断扩大，以提高发电效率[1][2][3]。在长期运行过程中，大型海上风力发电机的支撑结构会受到环境荷载的非线性叠加和交替作用[4]。这些因素对海上风力发电机支撑结构的稳定性、可靠性和抗灾能力提出了更为严苛的设计要求，显著增加了工程复杂性和技术挑战。

海上风力发电机作为一个耦合的刚-柔性系统，转子旋转产生的非定常气动荷载、波浪诱导的水动力荷载以及塔筒和基础的弹性变形之间存在强烈的非线性相互作用[5][6]。这些相互作用产生了显著的气-水-弹性耦合效应[7]。传统的解耦或准静态分析方法往往无法准确确定海上风力发电机在复杂激励下的瞬态响应，导致荷载评估和疲劳寿命预测出现误差。因此，开发高保真度的海上风力发电机动态建模框架已成为其设计和安全评估的核心挑战。

目前，海上风力发电机的数值建模方法通常分为频域分析和时域分析方法。Chen等人[8][9]开发了一种漂浮式海上风力发电机的耦合频域分析模型（DARwind-FD）。该模型能够高效计算复杂环境荷载下的结构动力响应，并通过与时域软件OpenFAST的代码对比进行了系统验证。数值结果表明，平台运动（纵荡、升沉、俯摇）、系泊张力、塔底弯矩和机舱加速度等关键动力参数与OpenFAST的时域求解结果高度吻合，证实了DARwind-FD的可靠性。该模型在不牺牲精度的前提下提高了计算效率，降低了动力响应分析的整体成本。Hegseth等人[10]建立了一种Spar型漂浮海上风力发电机的线性半解析频域模型。该模型能够高效评估风荷载和波浪荷载下的长期疲劳损伤和短期极端响应，并与耦合非线性时域模拟结果进行了系统验证。研究结果表明，频域模型在大幅提高计算效率的同时，能够准确预测包括基础弯矩和平台运动在内的关键动力响应。然而，这种频域方法仅限于稳态动力响应求解，无法准确捕捉故障事件或紧急停机条件下的结构行为。

虽然频域分析提供了较高的计算效率，但其线性化假设限制了其在复杂海况下捕捉非线性结构演化的能力，也无法表征极端运行条件下的瞬态动力学行为。这些理论局限性阻碍了该方法对海上风力发电机非线性耦合行为的表征能力。因此，耦合时域分析仍然是海上风力发电机高保真度动力评估的必要方法。在此背景下，美国国家可再生能源实验室的Jonkman等人[11][12][13]建立了海上风力发电机的耦合数值模拟工具（OpenFAST）。该框架采用时域分析，并集成了气动、水动力、伺服控制和结构弹性模块。该数值模型采用时域分析框架，紧密集成了气动、水动力、伺服控制和结构弹性模块，能够准确预测各种海上风力发电机的耦合动力响应。Li等人[14]开发了一种10 MW单桩式海上风力发电机的空气-伺服-弹性数值模型，推导了时变气动阻尼矩阵，并研究了非理想入流条件对结构响应的影响。结果表明，偏航不对齐是影响气动阻尼的主要入流参数，而风剪切和风偏转主要影响转子边向模态。Huang等人[15]建立了一种5 MW半潜式漂浮海上风力发电机的流体-结构相互作用模型。结果表明，平台运动持续改变转子入流条件，与对应的固定式风机相比，平均功率系数和推力分别降低了6.84%和3.50%。此外，一些研究采用ABAQUS和ANSYS等有限元软件分析自支撑式海上风力发电机的动力响应。Zhang等人[16]使用ABAQUS开发了一种自支撑式海上风力发电机基础的弹塑性数值模型。在其模型中，自支撑桩腿底部的全部六个自由度均被完全固定，并且忽略了桩土相互作用。自支撑基础中的荷载分布通过位移控制分析方法确定。结果表明，自支撑桩腿主要抵抗作用在结构上的水平荷载，且受拉侧与受压侧的荷载分布存在显著差异。Chen等人[17]使用ANSYS开发了一种集成养殖笼的自支撑式海上风力发电机基础的数值模型。结果表明，结构波浪荷载随波高的增加而显著增大，但随着波长的增加而明显减小。此外，养殖笼表现出显著的能量耗散效应，显著抑制了结构动力响应。在常规有限元软件中开发的数值模型通常将环境荷载视为解耦动力分析中自支撑式海上风力发电机的单向激励，忽略了结构运动与环境荷载之间的相互作用。Ren等人[18]使用解耦法、顺序耦合法和耦合模拟方法来评估自支撑式海上风力发电机的动力响应，并比较了结构响应的均值和极值。研究结果表明，解耦方法忽略了水动力阻尼和水弹性耦合效应。因此，该方法无法准确预测结构响应，极值和标准差的误差分别达到20%和35%。

虽然现有研究推进了自支撑式海上风力发电机的数值建模方法，但经过实验验证的气-水-弹性耦合模型仍然有限。此外，风荷载和波浪荷载下的结构动力响应特征以及气动和水动力阻尼影响结构响应的机制仍需进一步阐明。

为弥补上述研究空白，本研究开发了一种自支撑式海上风力发电机的气-水-弹性耦合数值模型，并通过缩尺模型实验进行验证。数值模型采用模块化架构，通过简化的数据交换，实现环境荷载和结构动力响应的高效计算。通过对比数值和实验结果来评估数值模型的可靠性。最后，进行了数值模拟以评估风荷载和波浪荷载下的结构动力响应特征，并进一步考察了气动和水动力阻尼影响结构响应的机制。

分节摘要

自支撑式海上风力发电机的数值求解框架

本研究开发了一种自支撑式海上风力发电机的气-水-弹性耦合模型。该模型采用模块化架构，使每个计算子模块能够独立运行，并通过标准化接口交换数据。该架构实现了环境荷载与结构动力响应的耦合求解。风场模块使用Kaimal谱重建三维随机风场。气动模块结合风……

风参数对结构响应的影响

风剪切指数和湍流强度是影响入流风场的关键参数[37][38]。在本研究中，通过调整风剪切指数和湍流强度来控制入流条件。数值条件汇总于表8。规定风速为缩尺模型的风速额定值。在W1至W3工况中，风剪切指数从0.10逐步增加至0.18，而湍流强度设定为8.86%[39]。

结论

本研究基于理论推导开发了一种自支撑式海上风力发电机的耦合气-水-弹性数值模型，并通过缩尺实验进行验证。随后研究了风和波浪参数对结构动力响应的影响，并阐明了气动和水动力阻尼的影响机制。主要发现总结如下。

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  自支撑式海上风力发电机在……条件下的动力响应数值结果……

CRediT作者贡献声明

张子阳：写作——审稿与编辑、写作——初稿、验证、方法论、调查研究。刘佳滨：写作——审稿与编辑、写作——初稿、监督指导。高德来：写作——审稿与编辑、写作——初稿、监督指导。来玛书瑾：写作——审稿与编辑、写作——初稿、监督指导。杨子锋：写作——审稿与编辑、写作——初稿、监督指导。陈文理：写作——审稿与编辑、写作——初稿……

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号W2511050、52427812、U2106222和U24A20174）以及中华人民共和国科技部国家重点研发计划（项目编号2024YFC3015200）的资助。

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